第二章核酸结构与功能2015年

核酸（nucleicacid）

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。第一页，共68页。

核酸的分类及分布

90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。

分布于胞核、胞液。

（DNA）

（RNA）脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第二页，共68页。

第一节核酸的分子组成第三页，共68页。第四页，共68页。一、核酸的元素组成

C、H、O、N、P（9~10%）二、基本组成——碱基：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖：核糖，脱氧核糖——磷酸：第五页，共68页。嘌呤（purine）

腺嘌呤（A）

鸟嘌呤（G）

碱基第六页，共68页。嘧啶

胞嘧啶（C）

尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）第七页，共68页。戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖（ribose）（构成DNA）脱氧核糖（deoxyribose）第八页，共68页。第九页，共68页。核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR三、核苷酸的结构1.核苷碱基和戊糖通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1第十页，共68页。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。第十一页，共68页。体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+第十二页，共68页。环化核苷酸第十三页，共68页。5´端3´端3.核苷酸的连接

核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA第十四页，共68页。四、核酸的分子结构（一）DNA的分子结构1、DNA的一级结构：

指构成DNA的各个单核苷酸之间连接键的性质及排列顺序（即碱基排列顺序）。第十五页，共68页。AGP5PT

PGPC

PT

POH3书写方法5-pApGpTpGpCpT-OH-35-AGTGCT-3

第十六页，共68页。2、DNA的二级结构

——双螺旋结构第十七页，共68页。

模型要点（Watson,Crick,1953）

由两条相互平行但走向相反的DNA链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。第十八页，共68页。碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，以氢键互补配对（互补配对形式：A=T;GC）；相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。第十九页，共68页。稳定因素：碱基堆积力--维持双链纵向稳定性；氢键--维持双链横向稳定性。第二十页，共68页。双螺旋结构的意义

该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。第二十一页，共68页。DNA双螺旋结构种类（1）右手螺旋结构：

由于DNA纤维的含水量不同，可分为三种：B-DNA、A-DNA、C-DNA。B-DNA：WastonandCrick提出的DNA双螺旋结构为B-DNA，另外溶液和细胞中天然状态的DNA可能是B-DNA。A-DNA：碱基与中心轴不相垂直，而呈20º倾角。C-DNA：可能存在于染色体与某些病毒的DNA中。第二十二页，共68页。

当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时，DNA的构象发生改变。

不同DNA纤维的空间结构

类型结晶状态ANa盐，相对湿度75%时结晶BNa盐，相对湿度92%时结晶C锂盐，相对湿度66%时结晶第二十三页，共68页。（2）左手螺旋结构

1979年，美国麻省理工学院Rich从d（GpCpGpCpGpCp）一段脱氧核苷酸链X衍射中发现，糖与磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋称为Z-DNA螺旋。

第二十四页，共68页。

DNA双螺旋结构的多样性第二十五页，共68页。3、DNA的超级结构

指在二级结构的基础上，双螺旋进一步扭曲或再次螺旋所形成的结构。原核生物：大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。第二十六页，共68页。

DNA的超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

正超螺旋（positivesupercoil）盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋（negativesupercoil）盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。

第二十七页，共68页。超螺旋结构第二十八页，共68页。第二十九页，共68页。意义DNA超螺旋结构体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。第三十页，共68页。DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第三十一页，共68页。核小体的结构第三十二页，共68页。第三十三页，共68页。

第三十四页，共68页。第三十五页，共68页。染色体染色质纤维核小体组蛋白DNA第三十六页，共68页。

DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。第三十七页，共68页。（二）RNA的种类和分子结构RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。

第三十八页，共68页。RNA的种类、分布与功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA第三十九页，共68页。1、mRNA（信使RNA）约占总RNA的3%--5%；mRNA代谢不稳定，种类多、分子量差异很大；其功能是蛋白质合成的模板。第四十页，共68页。真核细胞mRNA的特点：

3’－末端有多聚腺嘌呤的结构（polyA）；5’－末端具有帽子结构（m7GpppN）；一种mRNA只含有一条多肽链的信息（单顺反子）。第四十一页，共68页。hnRNA内含子（intron）mRNA*mRNA成熟过程

外显子（exon）第四十二页，共68页。真核生物mRNA5-端帽子结构5'5'm7GTP第四十三页，共68页。2、tRNA（转移RNA）约占总RNA的15%；在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用；每一个AA都有与其相对应的一种或几种tRNA；tRNA分子大小相似，一般为73-93个核苷酸。第四十四页，共68页。*

tRNA的一级结构特点

含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G具有TCtRNA的结构第四十五页，共68页。tRNA的二级结构

--三叶草型结构

氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环第四十六页，共68页。*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第四十七页，共68页。3、rRNA（核蛋白体RNA）约占全部RNA的80%;是核蛋白体的主要组成部分;核蛋白体是蛋白质合成的场所。第四十八页，共68页。*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第四十九页，共68页。*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。原核生物16SrRNA的二级结构第五十页，共68页。核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%第五十一页，共68页。

第二节核酸的理化性质第五十二页，共68页。一、核酸的紫外吸收

碱基含有共轭双键；最大吸收峰260nm左右。第五十三页，共68页。各种核酸的紫外吸收第五十四页，共68页。二、DNA的变性定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高

粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失第五十五页，共68页。

氢键和碱基堆积力的破坏，核酸分子高级结构改变、理化性质及生物活性发生改变，

磷酸二酯键不断裂，故一级结构不变。实质第五十六页，共68页。DNA变性示意图:第五十七页，共68页。DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。第五十八页，共68页。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。第五十九页，共68页。

Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度（Tm)。其大小与G+C含量成正比。第六十页，共68页。三、DNA的复性与分子杂交

DNA复性：在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。第六十一页，共68页。第六十二页，共68页。在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链。这种杂化双